TDK TVS-Signalintegrität für USB4® und Thunderbolt® 4 – Effektiver ESD-Schutz von High-Speed-Datenleitungen

Elektrostatische Entladung, elektrische Phänomene und Schutz

Peripheriegeräte, die USB verwenden, sind weit verbreitet, und ihre Anschlüsse können dem Umweltphänomen der elektrostatischen Entladung (ESD) ausgesetzt sein. Dies kann zu Schäden an empfindlichen elektronischen Schaltungen in den tragbaren Geräten führen. Der Standardansatz zur Lösung dieses Problems besteht darin, Schutzkomponenten einzubauen, die höhere und potenziell schädliche Spannungspegel unterhalb der Schwellenwerte der ICs unterdrücken, indem sie die Überströme von den empfindlichen ICs ableiten und die abgegebene Energie absorbieren. Diese Schutzvorrichtungen sollten im normalen Betrieb die Schaltkreise nicht beeinflussen und das Kommunikationssignal auf den zu schützenden Leitungen nicht beeinträchtigen.
Im Gegensatz zu USB 2.0 und den nachfolgenden Generationen bis USB 3.2, die schon länger auf dem Markt sind und unabhängig von anderen Protokollen entwickelt wurden, folgen USB4® und Thunderbolt 3 der gleichen "USB4 Electrical Compliance Test Specification". Bezüglich der Signalfrequenz sind die Signale von Thunderbolt 3 und Thunderbolt 4 gleich. Daher ist auch die ESD-Schutzlösung dieselbe. In der Praxis bedeutet dies, dass ESD-Schutzlösungen, die für eines der beiden Protokolle entwickelt wurden, auch für das andere verwendet werden können, da die in der Kommunikationsleitung verwendete Frequenz dieselbe ist.

USB Typ-C Stecker und TDK Schutzlösung

Das USB4 Implementers Forum (USB-IF) hat an dem neuesten Protokoll gearbeitet, um Anzeige-, Daten- und Lade-/Speicherfunktionen über einen einzigen USB4 Typ-C-Stecker® anzubieten und gleichzeitig die Kompatibilität mit dem bestehenden USB-System zu wahren, einschließlich der Kompatibilität mit Thunderbolt®-Produkten über den USB4 Typ-C-Stecker, der auch Thunderbolt 4 (TBT4) Systeme im Alt-Modus unterstützt [ref : www.usb.org]. Dieser Stecker hat sich aufgrund der praktischen Tatsache durchgesetzt, dass er invertierbar ist, was durch gespiegelte Pins auf beiden Seiten des Steckers erreicht wird. Diese Pins sollten mit einem ausreichenden ESD-Schutz verbunden werden, da sie im täglichen Gebrauch leicht einem ESD-Ereignis ausgesetzt werden können.

Die Abbildung unten zeigt die Anordnung der 24 Pins im USB-C-Stecker. Die beste Praxis besteht darin, den ESD-Schutz so nah wie möglich an der Quelle des transienten Ereignisses, d. h. am Stecker, zu platzieren. Das bedeutet, dass miniaturisierte Überspannungsschutz-Bauelemente benötigt werden, die nicht viel Platz benötigen und dennoch ausreichend Schutz bieten. Von den 24 unten abgebildeten Steckerstiften werden vier für die Masseverbindung verwendet und müssen nicht geschützt werden. Buchsenschnittstelle: [ref :www.usb.org]

Aufgrund des reversiblen Designs der USB Typ-C Steckerspitze und der Redundanz der D+ und D- Pins an den Seiten, sind 18 Pins angeschlossen. Die D-/D+-Pins sind die Pins, die für den Anschluss des USB 2.0-Differenzpaars + und - verwendet werden. Es ist daher ausreichend, wenn die Buchsenseite beide USB 2.0-Differenzialpaare unterstützt (oben und in der unteren Reihe angeordnet), während die Steckerausrichtung bestimmt, welches Paar aktiv ist.

Mit GND gekennzeichnet als Masse-Rückleitung, sind alle auf der Leiterplatte angeschlossenen Masse-Rückleitungsstifte.
Die Tx- und Rx-Pins werden für Hochgeschwindigkeitsdaten verwendet, und der Schutz dieser Pins muss unter Berücksichtigung der Signalintegrität auf diesen Leitungen sorgfältig ausgewählt werden.

V_BUS – Bus Power Pin, der höhere Spannungen und Ströme unterstützt, ermöglicht schnelles Laden über diese Pins. Die Nennspannung an den Bus-Pins beträgt bis zu 20 V und die Ströme bis zu 5 A, bei einer maximalen Leistung von 100 W.

Zusätzlich zu den bereits erwähnten Vorteilen des USB-Typ-C-Anschlusses ermöglicht ein USB-PD-Protokoll (Power Delivery) das schnelle Aufladen von Endgeräten und mehr Flexibilität für den Endnutzer. Die für USB PD spezifizierte Spannung beträgt bis zu 48 V und ist in Kombination mit einem EPR-Kabel (Extended Power Range) [ref : "USB Type-C Cable Connector Specification", Oktober 2022] wie unten dargestellt verfügbar:

Die CC - Configuration Channel Pins und SBU - Sideband Use Pins dienen zur Erkennung der Verbindungskonfiguration und zur zusätzlichen Nutzung des Typ-C-Steckers für andere Protokolle, die im Alternate (Alt) Mode unterstützt werden, wie z. B. das HDMI-Protokoll. [ref : USB.org]. Zusammen mit den Pins V_BUS und Differential (D+ und D- wie oben gezeigt) sind diese Pins sogenannte Low-Speed-Signalleitungspins, während die Tx/Rx-Pins mit High-Speed-Kommunikationsleitungen verbunden sind.
Dieser USB4 Typ-C Stecker ist auch der Stecker der Wahl, um der "einer für alle" Peripheriegerätestecker für Ladegeräte in der Europäischen Union zu werden. Mit der neuen Funkgeräterichtlinie erzwingt das Europäische Parlament eine Harmonisierung mit Ladeanschlüssen und Schnellladetechnologie. Nach der Anpassung durch das Europäische Parlament und den Rat im Rahmen des ordentlichen Gesetzgebungsverfahrens (Mitentscheidungsverfahren) gibt es eine Übergangszeit von 24 Monaten, bevor das Ladegerät zum Standard für die EU-Länder wird. [ref : https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/en/IP_21_4613]. Weitere Standardisierungen zu USB und Laden finden sich in der IEC 62680-1-2, Ed.5: 2021 "Universal serial bus interface for data and power Part 1-2: Common components - USB Power Delivery specification" und IEC 63002, Ed.2: 2021 "Interoperability specifications and communication method for external power supplies used with computing and consumer electronics devices" Die kürzlich von TDK vorgestellten TVS-Dioden sind für die oben genannten Anwendungsanforderungen ausgelegt. Der Schutz der Hochgeschwindigkeits-Tx/Rx-Pins erfordert sorgfältig ausgewählte ESD-Bauelemente, da diese einen robusten Überspannungsschutz für die ESD-Transienten bieten müssen, aber auch im normalen Betrieb das Signal auf diesen Leitungen nicht beeinträchtigen dürfen. Die für dieses Signal verwendeten Datenraten gehen bis zu 20 Gb/s für USB4 20 Gbps und bis zu 40 Gb/s für USB4 40 Gbps, über zwei Leitungen. Das bedeutet bis zu 10 Gb/s Datenrate für eine Leitung bzw. bis zu 20 Gb/s Datenrate. Die entsprechende Frequenz für diese Datenraten wird grob durch Halbierung der Datenrate berechnet. Diese Nyquist-Frequenz wäre also 10 GHz für die bei USB4 verwendete Datenrate von 40 Gbit/s bzw. 5 GHz für die langsamere Datenrate von 20 Gbit/s, wie in der folgenden Tabelle dargestellt.

Signalintegrität und Schutzkonzepte

Ein parallel zu einer Datenleitung geschaltetes ESD-Schutz-Bauelement führt zwangsläufig zu einer gewissen Einfügedämpfung, d. h. zu einer Verschlechterung der Signalqualität. Der Grad der Beeinträchtigung des Signals kann anhand von Augendiagrammen für die entsprechenden Signale überprüft werden. Die beste Methode, um sicherzustellen, dass das Bauelement die Signale nicht verschlechtert, besteht darin, entsprechende Messungen durchzuführen und zu bewerten. Es sollte ein Test durchgeführt werden, bei dem die Augendiagramme der Signaltests, die mit einer Vorrichtung mit und ohne das Bauelement aufgezeichnet wurden, unter Verwendung der standardisierten Schaltung verglichen werden. Ferner sollten zwei identische Platinen vorbereitet werden, die für die Arbeit mit HF-Signalen ausgelegt sind. Wie in der Abbildung unten dargestellt, ist eine mit dem ESD-Schutz-Bauelement bestückt, die andere ohne.

Anschließend sollten die Messungen mit demselben Prüfsignal verglichen werden. TDK ULC TVS-Dioden werden unter Verwendung von USB 3.2-Signalen getestet. Die Messungen werden von dem für USB 3.2-Signaltests und Augendiagramme zertifizierten externen Labor Eurofins Digital Testing durchgeführt, wobei die entsprechende Signalmaske unten angegeben ist:

Die Tests werden auf der Grundlage des Worst-Case-Szenarios, d. h. des Langkanaltests, durchgeführt. Der Test wird mit einer Standard-B-Buchse, einer Kabellänge von 3 m und zusätzlichen Leiterbahnen gemäß der Spezifikation durchgeführt. Ein Test, der auf der Auswahl des ungünstigsten Kanals für den Host und die Geräte mit Micro-B- und Typ-C-Produkten basiert, wird ebenfalls durchgeführt. Beide TDK TVS-Dioden aus der ULC-Familie wurden wie oben beschrieben getestet und bewertet und haben alle Tests bestanden. Wenn eine Schutzkomponente den Test mit den USB 3.2-Signalen besteht, bedeutet dies, dass diese Komponenten eine gute Wahl für den Schutz von Leitungen mit Signalen mit hoher Datenrate sind, mit viel Spielraum für andere Komponenten, die auf der Leitung benötigt werden, aber auch für niedrigere Datenraten.
TDK ULC TVS-Dioden wurden auch mit USB4 -Signalen getestet. Bei diesen Tests wurde der gleiche Ansatz verfolgt, und die Augendiagramme sind unten dargestellt.

20G Augendiagramm

20.0G (gerundet)
TP2_Durchgangsplatine 01005	TP2_Mit TDK TVSD SDO1005 SL-ULC101
Auge wiederhergestellt - Verzögerung um 3,133[pS]	Auge wiederhergestellt - Verzögerung um 3,133[pS]
TP3_Durchgangsplatine 01005	TP3_Mit TDK TVSD SDO1005SL-ULC101
Auge wiederhergestellt - Verzögerung um -0,392[pS]	Auge wiederhergestellt - Verzögerung um -1,762[pS]

Die Punkte TP2 und TP3 sind wie in der USB-Spezifikation angegeben, wie folgt

Definition der USB4 TX-Konformitätspunkte

Es gibt einen eingebetteten USB-C-Stecker (simuliert mit S-Parametern) und ein passives Kabel (die angenommene Kabellänge beträgt für 10 Gbit/s 2 m und für Raten von 20 Gbit/s 0,8 m) zwischen den Punkten TP2 und TP3 in der obigen Abbildung [ref :www.usb.org].
Die für die obigen Tests und Augendiagramm-Messungen verwendeten Testsignale sind Nominalsignale. Beim Vergleich dieser beiden Messungen der Platinen mit und ohne Komponenten sind nur minimale Unterschiede zu beobachten, z. B. sind die Jitterwerte leicht erhöht. Die Testergebnisse zeigen, dass die TDK TVS ESD-Schutz-Bauelemnte bei allen getesteten Signalen bestehen.
TDK bietet robuste TVS-ESD-Schutzdioden, die mit USB 3.2 10 G und USB4 20 G und 40 G Signalen kompatibel sind. Prüfberichte für die USB 3.2-Signale und USB4 für die referenzierten Bauteile sind auf Anfrage erhältlich.
TDK TVS-ESD-Schutzdioden, die mit USB 3.2- und USB4 -40-G-Signalen kompatibel sind, sind in zwei Größen mit kleinen Volumina für Anwendungen mit eingeschränktem Platzangebot erhältlich. Die SD0201SL-ULC101 der Baugröße 0201 der EIA (Electronic Industries Alliance), der Definition im "Wafer-Level-Chip-Scale" (WL-CSP) Gehäuse
Transient Voltage Suppressors - TVS (SD0201SL-ULC101) und die SD01005SL-ULC101 der Größe 01005 nach EIA im WL-CSP-Gehäuse Transient Voltage Suppressors - TVS (SD01005SL-ULC101).
Beide Dioden benötigen bedingt durch das Pad-Layout sehr wenig Platz auf der Leiterplatte und ihr Volumen ist aufgrund des flachen Gehäuses mit einer auf 100 µm reduzierten Höhe ebenfalls minimal. Dies ist ideal für Anwendungen, bei denen nur wenig Platz zur Verfügung steht. Der ESD-Schutz wird im Allgemeinen durch eine Parallelschaltung des Bauelements mit der geschützten Schaltung realisiert, und es kann an beliebiger Stelle auf der Leitung platziert werden, um ICs zu schützen. Es wird empfohlen, sie so nahe wie möglich an die Störquelle anzuschließen und die Bauelemente in der Nähe des Steckers zu platzieren. Auf diese Weise werden die parasitären Induktivitäten, die entstehen können, minimiert. Alle Komponenten, die von der Quelle möglicher Transienten aus gesehen hinter den ESD-Komponenten angebracht sind, werden ebenfalls geschützt. Darüber hinaus werden durch die Verwendung eines SMD-Bauelements auch alle parasitären Induktivitäten an den Pins ausgeschlossen. Daher sind SMD-ESD-Schutzvorrichtungen für die beschriebenen Anwendungen sehr vorteilhaft. Die Dioden arbeiten schnell, und die Vorteile des kleinen SMD-WL-CSP-Gehäuses für ESD-Bauelemente sind offensichtlich.
Betrachtet man den Signalpfad, so gibt es viele mögliche Quellen für Einfügungsdämpfung, die zu einer Signalverschlechterung führen können. Dazu gehören Drosseln, CMCs, Kondensatoren, Kabel, Stecker und Steckverbinder usw. Jedes Teil in der Signalleitung beeinflusst das Signal in irgendeiner Weise. Die ESD-Komponente ist ein wichtiger Teil dieser Funktionalität, da sie den IC vor Überspannungstransienten schützen muss. Betrachtet man die Abbildungen mit den Augendiagrammen für den ungünstigsten Fall, so kann man den Spielraum erkennen (unten mit violetten Klammern markiert). Dieser Spielraum steht dem Entwickler zur Verfügung, um die Komponenten zu verwenden, die zusätzliche Einfügungsdämpfung entlang der Leitung verursachen, abgesehen von der Dämpfung, die bereits durch die ESD-Komponente verursacht wird.

B74111U0033M060_TVS01005SL datasheet

Da sowohl USB4 als auch Thunderbolt 4 denselben "USB4 electrical compliance test spec" folgen, sind die Testergebnisse auch für Leitungen mit Thunderbolt-Signal anwendbar.

Produktportfolio

Der vollständige Lösungsschutz für die oben erläuterten Pins des USB-Typ-C-Steckers lautet wie folgt.

TDK Bestellnummer	B74121U0033M060	B74111U0033M060	B74121U0055M060	B74111U0055M060	B74121G0160M060	B74121G0200M060
Fußabdruck
Paket	WLCSP 0201	WLCSP 01005	WLCSP 0201	WLCSP 01005	WLCSP 0201	WLCSP 0201
Dicke	150 μm	100 μm	150 μm	100 μm	150 μm	150 μm
Arbeitsspannung	3.3 V	3.3 V	5.5 V	5.5 V	16 V	20 V
Klemmenspannung ITLP = 8A	3.9 V	3.8 V	4.1 V	3.9 V	22 V	26 V
Kapazität 1 MHz	0.65 pF	0.48 pF	0.55 pF	0.43 pF	9 pF	5.3 pF
ESD-Ebene Kontaktentladung	15 kV	15 kV	15 kV	15 kV	15 kV	10 kV
PIN zum Schutz	Tx/Rx	Tx/Rx	D+/D-(Tx/Rx)	D+/D-(Tx/Rx)	VBUS (CCI SBU)	VBUS (CC / SBU)
Artikel Nr. Listen

Pins des USB Typ-C Steckers

Die entsprechenden Datenblätter können unter diesem Link Transient Voltage Suppressors TVS - Hochleistungs-TVS-Dioden für ICT-, Consumer- und High-Speed-Anwendungen abgerufen werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die TVS-Dioden von TDK einen hochmodernen USB-ESD-Schutz bieten, der für einen ausgezeichneten Schutz empfindlicher IC und den maßgeschneiderten Schutz der USB Type-C Port-Pins sowie für andere Anwendungen entwickelt wurde. TDK TVS-Dioden benötigen aufgrund ihrer geringen Größe und Höhe nur minimalen Platz und halten beim Schutz eine niedrige Klemmspannung aufrecht, ohne das Signal von hohen Datenraten, z. B. von USB-Protokollen und anderen Protokollen mit hoher Datenrate, wie getestet, zu stören.

Referenzen

Weitere Informationen zur USB 4.0-Spezifikation finden Sie unter www.usb.org .
USB4^®, USB Type-C^® und USB-C^® sind eingetragene Marken des USB Implementers Forum (USB-IF). Thunderbolt^® ist eine eingetragene Marke von Apple Inc..

Weiterführende Links

Selection Guide

Anwendungshinweis

Other Contents

Produkt-Übersicht